CN103782147B - 水下检测设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测水生环境内的一个或更多个泡泡(270)的存在的水下检测设备(100)，包括：包括用于限定区域的下部外围边缘(220)的第一结构(210)，所述设备(100)可操作地在所述区域上收集一个或更多个泡泡(270)；第二结构(230)，用于将容纳在由下部外围边缘(220)限定的区域内的一个或更多个泡泡(270)空间上集中到检测区中；以及检测装置(240，250)，用于检测在操作中通过所述泡泡集中结构集中进入到检测区中的一个或更多个泡泡(270)，并且生成表示一个或更多个泡泡(270)穿过检测区的输出信号(S2)。所述设备(100)可选地安装在水生遥控潜水艇(ROV)上。所述设备(100)有利地用于调查水生环境中例如来自石油勘探和/或产品泄露、来自损坏的海底电缆、来自海底气体管道或类似的泄露的一个或更多个泡泡(270)的来源。

Description

水下检测设备
技术领域
本发明涉及水下检测设备，例如涉及用于检测由水下设施和海底区域引起的泡泡的存在的水下检测设备。而且，本发明涉及使用用于检测泡泡的存在的前述设备的方法。此外，本发明涉及记录在机器可读介质上的软件产品，其中，软件产品在计算硬件上可执行用于实现前述方法。
背景技术
已知的是，泡泡在液体中出现。而且，已知的是，由于有机植物腐烂导致沼气，泡泡在例如在沼泽和水池中的被水覆盖的区域中自然地产生。也许不太理解的是，尽管泡泡也在海洋环境中自然地生成，但鉴于看起来混沌的海洋表面波运动没有注意到泡泡。在海洋环境中，泡泡的形成可以表示海底下面发生的例如沿着构造断层线的地质裂缝、地质过程如热水泉等的各种过程。
如图1所示，当在海洋环境10中执行气体和/或石油的海底钻探时，钻孔20钻进地质构造30中，地质构造30具有形成海底40的上表面。通常是使用钢衬管50衬着钻孔20。在深水安装中，通常也是使用阀装置60在海底40处盖在衬管50上。由于其表面类似于针叶树的向上锥形形式，阀装置60经常被称为“圣诞树”。空间上邻近钻孔20的地质构造30实质上往往是多孔的，并且不能经受住衬管50内产生的高压，尤其当由钻孔20截取的石油和/或气体储备70处于其生产的早期阶段和处于高内压下时。在来自石油和/或气体储备的生产的后期阶段，往往需要将流体以相当大的压力注入到石油和/或气体储备70中，这引起由衬管50经受的高内压。例如当使用浮油和/或气体生产平台时，阀装置60使得软管能够经由阀装置60附接至衬管50。
如在2010年墨西哥湾中的深水地平线(Deep Water Horizon)事故中经历的，衬管50可能泄露或甚至断裂。这样的断裂可以由制造衬管50所利用的材料中的制造缺陷引起，或可以由衬管50在操作期间被加压超过其设计等级(例如通过施加以产生来自石油和/或气体储备70的较大的生产率的过压)引起。当衬管50断裂时，来自钻孔20的流体泄漏到地质构造30的相邻区域中，并且往往经历钻孔20内的压力降低。最后，来自衬管50中的断裂的流体渗漏到海底40，并且表现为在海底40的广阔区域上的偶然泡的涌现。鉴于海底40处的光可见性往往被颗粒物质模糊，尤其当存在扰乱海底40上的沉积物的活动时，这些偶然泡有时难以使用常规的技术来检测。已知原油在变得降压时出溶泡泡，并且在靠近钻孔20的地质构造30内生成的这样的出溶气可以潜在地扰乱海底40上的颗粒物质，因此导致光学模糊。
类似的考虑也适于石油和/或气体的水下管道，水下管道在很多年的使用之后，可以形成偶然的缺陷，例如“针孔”，从该“针孔”处可以发生气体泄漏。非常期望检测小的泄露并且在它们发展成导致重大环境危害的主要泄露之前修复它们。然而，在与图1类似的情形中，在光被模糊的条件中检测海底40的广阔的区域上的偶然泄露是潜在要解决的难的技术问题。
根据上文应当理解的是，需要能够在海洋环境10中操作并且在可能导致上述光模糊的颗粒物质的同时存在下检测由海底40的广阔区域引起的泡泡的强力设备。
US 2003/0056568 A1公开了一种通过在海底配置本地探针以及在探针附近的水中产生泡并且检测泡，以及估计水中溶解气的浓度，并且与附近海底气体渗漏比较来检测海底气体渗漏的方法。
GB 2176604 A公开了通过使用安装在管道外部的无源和有源声纳检测系统的气体泄漏的声学检测。
发明内容
本发明设法提供一种可操作地以可靠的方式收集和检测水生环境中的一个或更多个泡泡的改进的设备。
根据本发明的第一方面，提供了一种如所附权利要求1中所限定的水下检测设备，提供一种用于检测水生环境内的一个或更多个泡泡的存在的水下检测设备，其特征在于，所述设备包括第一结构，所述第一结构包括用于限定区域的下部外围边缘，所述设备可操作地在所述区域上收集所述一个或更多个泡泡；第二结构，所述第二结构用于将容纳在由所述下部外围边缘限定的所述区域内的所述一个或更多个泡泡空间地集中到检测区中；以及检测装置，所述检测装置用于检测在操作中通过所述泡泡集中结构集中进入到所述检测区中的所述一个或更多个泡泡并且生成表示所述一个或更多个泡泡穿过所述检测区的输出信号(S2)。
本发明具有优势在于，所述水下检测设备可操作地收集水生环境内的潜在广阔区域上的一个或更多个泡泡，并且以对于水生环境内的颗粒污染有效的方式来检测泡泡。
可选地，所述设备适用于检测下列中的至少一种：一个或更多个气泡、一个或更多个油泡。“油”在此可以被解释为包括广泛的流体烃类材料。
可选地，在所述水下检测设备中，所述第二结构被实现为用于空间限定体积的基本上截头圆锥形结构，所述一个或更多个泡泡在操作中集中在所述截头圆锥形结构中。
可选地，在所述水下检测设备中，所述检测装置包括一个或更多个传感器以及信号处理装置，所述一个或更多个传感器用于被动检测由在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡生成的声音，以生成检测信号(S1)，所述信号处理装置用于处理所述检测信号(S1)以生成表示所述检测区内存在和/或不存在所述一个或更多个泡泡的所述输出信号(S2)。
可选地，在所述水下检测设备中，所述检测装置包括用于在操作中使用询问辐射询问所述检测区的信号源以及用于通过所述询问辐射的发送部分和/或反射部分检测所述检测区中存在的一个或更多个泡泡的一个或更多个传感器。更可选地，在所述水下检测设备中，所述检测装置的所述信号源和所述一个或更多个传感器容纳在彼此公共的单元内。更可选地，用于生成所述询问辐射的所述信号源在频率和/或幅度方面是可调节的，以激励所述一个或更多个泡泡中的非线性共振，以及表示所述检测区中存在所述一个或更多个泡泡的所述输出信号S2由所述检测装置根据由于激励所述一个或更多个泡泡中的所述非线性共振而生成的谐波信号分量来生成。
可选地，所述检测装置包括信号处理单元，用于测量所述询问辐射穿过所述检测区的飞行时间和/或所述检测区的声学阻抗，以确定所述检测区内存在上升的一个或更多个泡泡。
可选地，所述设备还包括用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡从所述泡泡集中结构到所述检测区的供给的装置，用于使得所述设备能够区分来自所述检测装置的表示所述检测区存在泡泡的信号与表示所述检测区不存在泡泡的信号。更优选地，在所述水下检测设备中，用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡从所述泡泡集中结构到所述检测区的所述供给的所述装置包括下列中的至少一个：
(i)在操作中空间位于所述检测装置下方的致动阀；以及
(ii)致动泡泡收集装置，所述致动泡泡收集装置可操作地将所收集的一个或更多个泡泡从所述致动泡泡收集装置周期性地释放到所述检测区中。
可选地，在所述水下检测设备中，所述检测区还包括关于其的温度传感器和压力传感器，用于使得所述信号处理装置能够根据它们所测量的非线性共振频率确定所述一个或更多个泡泡的尺寸。
可选地，所述设备适用于安装在遥控潜水艇(remotely operated vehicle,ROV)上来工作。
可选地，在所述水下检测设备中，所述检测区设置有用于分析在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡的化学组成的气体分析装置。
可选地，在所述水下检测设备中，所述信号处理装置可操作地以1kHz至10MHz的范围内、更优选在10kHz至5MHz的范围内以及最优选在100kHz至1MHz的范围内的频率来激励所述检测装置。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用水下检测设备来检测水生环境内的一个或更多个泡泡的存在的方法，其特征在于，所述方法包括：
(a)使用第一结构收集所述一个或更多个泡泡，所述第一结构包括限定所述设备的区域的下部外围边缘；
(b)使用第二结构将容纳在由所述下部外围边缘限定的所述区域内的所述一个或更多个泡泡空间集中到检测区中；以及
(c)使用检测装置来检测在操作中通过所述第二结构集中到所述检测区中的所述一个或更多个泡泡并且生成表示所述一个或更多个泡泡穿过所述检测区的输出信号(S2)。
可选地，所述方法包括将所述第二结构实现为用于空间限定体积的基本上截头圆锥形结构，所述一个或更多个泡泡在操作中集中在所述截头圆锥形结构中。
可选地，所述方法包括使用所述检测装置中的一个或更多个传感器来被动检测由在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡所生成的声音，以生成检测信号(S1)，并且使用信号处理装置来处理所述检测信号(S1)，以生成表示所述检测区内存在和/或不存在所述一个或更多个泡泡的所述输出信号。
可选地，所述方法包括使用所述检测装置的信号源用于在操作中使用询问辐射来询问所述检测区，并且使用一个或更多个传感器通过所述询问辐射的发送部分和/或反射部分来检测所述检测区中存在的一个或更多个泡泡。更优选地，所述方法包括在频率和/或幅度方面调节用于生成所述询问辐射的所述信号源以激励所述一个或更多个泡泡中的非线性共振，并且根据作为激励所述一个或更多个泡泡中的所述非线性共振结果而生成的谐波信号分量来生成表示所述检测区中存在一个或更多个泡泡的所述输出信号。
可选地，所述方法还包括使用装置来在操作中周期性地中断所收集的泡泡从泡泡集中结构到所述检测区的供给，以使得所述设备能够区分来自所述检测装置的表示所述检测区存在泡泡的信号与表示所述检测区不存在泡泡的信号。更优选地，所述方法包括将用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡从所述泡泡集中结构到所述检测区的所述供给的所述装置实现为包括下列中的至少一个：
(i)在操作中空间上位于所述检测装置下方的致动阀；以及
(ii)致动泡泡收集装置，所述致动泡泡收集装置可操作地将收集的一个或更多个泡泡从所述致动泡泡收集装置周期性地释放到所述检测区中。
可选地，所述方法包括关于所述检测区利用温度传感器和压力传感器以使得所述信号处理装置能够根据它们所测量的非线性共振频率来确定所述一个或更多个泡泡的尺寸。
可选地，所述方法包括将所述设备实现为安装在遥控潜水艇(ROV)上来工作。
可选地，所述方法包括向所述检测区设置用于分析在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡的化学组成的气体分析装置。
可选地，所述方法包括操作所述信号处理装置以便以在1kHz至10MHz的范围内、更优选在10kHz至5MHz的范围内以及最优选在100kHz至1MHz的范围内的频率来激励所述检测装置。
根据本发明的第三方面，提供了一种记录在机器可读数据存储介质上的软件产品，其特征在于，所述软件产品在计算硬件上可执行用于实现根据本发明的第二方面所述的方法。
应当理解的是，在不超出如由所附权利要求所定义的本发明的范围的情况下，本发明的特征易于以各种组合被组合。
附图说明
现将参照下面的附图仅通过示例来描述本发明的实施方式，其中：
图1是本发明的实施方式适于在其中操作的水生环境的图示；
图2是根据本发明的设备的示例的图示；
图3是在图2的设备中使用的传感器装置的图示；
图4是在图2的设备中使用的可替换的传感器装置的图示；
图5是图2的设备的颈部区的图示；
图6是传感器装置的可选配置的图示，其中，一个或更多个声换能器可操作地将声学辐射发射到颈部区中，流体流过该颈部区，例如在颈部区中潜在包括一个或更多个泡泡；
图7是用于图2中的设备的传感器装置的换能器的环形装置的图示；以及
图8是图2的设备连同用于将设备输送到使用位置的水生潜水艇的图示。
在附图中，下划线数字用于表示下划线数字被定位在其上的条目或下划线数字与其邻近的条目。非下划线数字涉及由将非下划线数字连接至条目的线所标识的条目。当数字是非下划线的并且附加相关联的箭头时，非下划线数字用于标识箭头指向的通用条目。
具体实施方式
超声波泡泡检测是已知的，并且即使当可以导致光学模糊的特定物质同时存在时也提供检测泡泡的益处。液体中的泡泡通常可以包括永久气体和水汽的混合，并且可以随着时标近似稳定，其中，如果由于表面张力和围绕泡泡的液体中的压力而引起的泡泡的气体组分的分压使压缩压力平衡，则可以忽略溶解和浮力。所施加的声场即所施加的超声波辐射能够将泡泡驱动成非线性振荡，非线性振荡在小的幅度处接近于单自由度振荡器的运动。
从而，泡泡能够振荡并且具有如由公式1(Eq.1)所定义的共振υ0的固有频率：
其中，ρ＝泡泡存在于其中的海水的密度；
p0＝泡泡内的静态压力；
σ＝海水的表面张力；
κ＝多变指数；以及
R0＝泡泡的半径。
泡泡的较早的研究已经显示可以通过将泡泡激励成振荡共振运动来对特征化泡泡使用泡泡共振特征。当泡泡的运动对应于例如像使用声学询问(acousticinterrogation)的高强度可实现的非线性振荡器时，发现泡泡能够引起倍频；例如，泡泡在引起泡泡的非线性振荡的幅值处、在如公式1(Eq.1)定义的其共振频率υ0处由声学辐射来询问，使得泡泡发射在频率2υ0处具有第二谐波分量的辐射。此外，较早的研究也已经显示，尽管也已经使用了例如在100kHz至1MHz的频率范围之内的较高的频率，但是使用具有高达200kHz的声频率的信号来询问水生环境10中的泡泡提供可测量的结果。水本身可以被视为不可压缩的介质，因此不能具有这样的共振；类似地，存在于水中的固体颗粒物质不能够具有这样的非线性共振。
本发明涉及一种用于检测由海底40的广阔区域或由例如海底气体管道或电力电缆的水下结构的广阔区域所产生的一个或更多个泡泡的水下检测设备。设备在图2中总体上由100表示，并且包括主体110、到水生表面的脐带连接120、以及传感器装置130。设备100能够通过流体推力器、推进器和/或致动叶片在例如海洋环境的水生环境10中被操纵。有利地，传感器装置130包括用于在操作中检查操作中的设备100的空间接近度的一个或更多个摄像机，以例如辅助操纵操作中的设备100。
传感器装置130还包括如图3中示出的传感器装置200。传感器装置200包括：例如实现为基本上截头圆锥漏斗形结构的用于收集一个或更多个泡泡的第一结构210，第一结构210包括下部外围边缘220；以大致向上锥形的形式实现的用于将容纳在由下部外围边缘220限定的泡泡收集区域中的一个或更多个泡泡空间集中的第二结构230；以及用于容纳一起集中在第二结构230中的一个或更多个泡泡的颈部区240，颈部区240也称为“检测区”。有利地，颈部区240具有小于由下部外围边缘220限定的泡泡收集区域的有效横截面积。颈部区240包括换能器装置250，该换能器装置250用于在操作中检测泡泡集中区域230内所收集的并且通过它们的固有浮力和/或借助于由涡轮或类似物提供的流体流动力上升到颈部区240中的一个或更多个泡泡。可选地，虽然在实现本发明时使用例如弯曲和/或直线形式的不对称向上锥形结构的其他形式的区域230是可行的，但是第二结构230以如前面提到的基本上截头圆锥方式实现。
如图4所示，换能器装置250可选地包括至少一个声学传感器，声学传感器以最简单的形式被实现为水音计260，该水音计260用于收听一个或更多个收集的泡泡270通过颈部区240的运动并且生成相应的传感器信号S1。设备100包括用于处理信号S1以生成表示一个或更多个收集的泡泡270的输出信号S2的信号处理单元280。可选地，信号处理单元280可操作地在信号频率方面对信号S1进行滤波，然后例如通过对预定的信号模板执行傅里叶频谱分析和/或比较分析来执行存在于经经滤波的信号S1中的信号分量的幅度和频率分析以生成输出信号S2。有利地，利用经滤波的信号S1的神经网络分析来识别一个或更多个泡泡270的存在。可选地，信号处理单元280使用可操作地执行在机器可读数据存储介质上存储的一个或更多个软件产品的计算硬件来实现；软件产品可选地可操作地利用数字递归滤波器，数字递归滤波器的频率范围是动态可修改的，以搜索例如10Hz至100Hz、100Hz至1kHz等各种频率范围中的信号S1中的上述分量。换言之，在这种情况下，换能器装置250用于被动收听颈部区240内发生的冒泡声，然后对冒泡声，即信号S1进行分析，以高可靠性地确认一个或更多个泡泡270是否是生成冒泡声的原因。
如图5所示，颈部区240有利地设置有阀300，阀300空间上在换能器装置250下面，例如水音计260下面。可选地，阀300被实现为致动蝶形阀，虽然可选地可以使用其他类型的致动阀，例如：
(i)线性致动针型阀和滑动阀；和/或
(ii)一个或更多个流体可膨胀体，用于在处于流体膨胀状态下阻塞泡的流动并且用于在流体排放状态下允许泡270到颈部区240的运动。
阀300的目的是收集一个或更多个泡泡270，然后周期性地释放一个或更多个泡泡270，为了利用换能器装置250进行检测；为了在换能器装置250处进行检测的目的而引起周期性释放的这样的泡泡的收集的替换装置也在本发明的范围内，例如，通过使用一个或更多个致动的泡泡收集腔，泡泡收集腔在第一状态可操作地收集容纳在由下部外围边缘220限定的区域内的泡泡，并且在第二状态可操作地释放所收集的泡泡，以便通过换能器装置250检测。例如使用与一个或更多个接入孔径相关联的一个或更多个空心部件来实现泡泡收集腔，一个或更多个接入孔径转动以在上述第一状态与第二状态之间切换。
在操作中，阀300周期性地关闭以收集阀300下方的一个或更多个泡泡270，然后被打开以使得一个或更多个泡泡270前进通过换能器装置250，例如通过水音计260，以在信号S1中生成清晰可辨别的冒泡声，信号S1由信号处理单元280周期性处理以生成输出信号S2。可选地，蝶形阀300的打开和闭合由信号处理单元280控制。当不存在一个或更多个泡泡270时，阀300的打开和闭合几乎不影响信号S1；相反，当存在一个或更多个泡泡270时，周期性地打开阀300在一个或更多个泡泡270存在时引起相应的涌浪，这就像信号S1中的一个或更多个可辨别的信号分量一样清晰可辨别的。阀300的打开和闭合以做必要的修正的方式涉及上文中阐述的阀300的替换的实现。
可选地，传感器装置200以有源方式实现，其中，流经颈部区240的流体使用声学辐射和所检测的相应的发送的和/或反射的声学信号来查询，并且随后在信号处理单元280中处理；换言之，换能器装置250有利地被实现成为了检测存在于颈部区240中的一个或更多个泡泡270能够以主动询问方式来运行。可选地，使用有源光学询问。在图6中，示出了传感器装置200的光学配置，其中，一个或更多个声换能器350向例如潜在包括一个或更多个泡泡270的流体流过其的颈部区240发出声学辐射。一个或更多个声换能器350耦接至上述信号处理单元280，信号处理单元280还包括用于激励一个或更多个换能器350的信号源装置。有利地，一个或更多个换能器350被实现为一个或更多个压电装置和/或一个或更多个电磁装置。可选地，一个或更多个声换能器350容纳在与水音计260彼此公共的外壳中。
此外，还包括一个或更多个接收传感器360，该接收传感器360用于接收来自颈部区240内存在的流体的反射和/或发送的辐射。可选地，利用换能器的环形装置用于实现一个或更多个换能器350、360，例如，如图7所示，其中，一个或更多个换能器350可操作地被单个激励或成组激励，以及使用一个或更多个传感器360单独或成组接收信号。例如，使用多个传感器360生成相应的多个信号S1，多个信号S1相互相减以消除对传感器360公共的环境噪声并且隔离差动声学信号，声学信号受到存在于颈部区240内的一个或更多个泡泡270强烈影响。这样的操作方式能够用于检测颈部区240内的泡泡270的横向不均匀分布。生成信号S1的一个或更多个声学传感器360耦接至信号处理单元280，信号处理单元280执行信号分析以生成表示颈部区240内的一个或更多个泡泡270的存在的输出信号S2。
关于图6，可选地也关于图7，信号处理单元280可操作地在频率范围和/或在强度范围内激励一个或更多个换能器350，同时接收来自一个或更多个传感器360的信号S1。频率范围有利地位于1kHz至10MHz的范围内，更优选地位于10kHz至5MHz的范围内，以及最优选地位于100kHz至1MHz的范围内。此外，使用频率范围用于获得关于存在于颈部区240中的一个或更多个泡泡270的半径R0的信息；信号处理单元280可操作地应用上述公式1(Eq.1)来计算半径R0。可选地，颈部区240配备有另外的传感器，该传感器用于确定公式1(Eq.1)中的各种参数，例如涉及关于颈部区240的静态水压p0和关于颈部区240的温度T，根据这些可以通过信号处理单元280来计算颈部区240中的水的密度ρ；可选地，另外的传感器空间上位于颈部区240的局部。当一个或更多个泡泡270存在于颈部区240中时，强度范围的使用用于将一个或更多个泡泡270驱动到非线性振荡的前进程度，例如用于生成由一个或更多个换能器350生成的声学辐射的二阶和高阶谐波，并且由一个或更多个传感器360可检测用于生成信号S1。可选地，在一个或更多个换能器350和传感器360的空间下方包括阀300，该阀300用于周期性地中断流过颈部区240的流体的流动，例如用于周期性地中断一个或更多个泡泡270，其中，当从一个或更多个换能器350发出的声学辐射强度变化时，由于阀300阻止其上升到一个或更多个换能器350和传感器360的空间附近导致的颈部区240中缺乏一个或更多个泡泡270导致缺乏存在于信号S1中的谐波分量。
现在参照图2至图8描述设备100的操作。如图8所示，设备100在船520的甲板500上被输送到水生位置530，在水生位置530处水生环境10内的一个或更多个泡泡270在那里要被询问。这样的一个或更多个泡泡270潜在由下列中的一个或更多个引起，位置530处的地质构造30、位置530处的海底40、地质构造30、包括在海底40上例如管道和/或电缆和/或沉没的水船的设备540。例如，当电屏蔽的水下电缆发生绝缘故障时，本发明是有用的，由于电缆的外部电磁接地屏蔽是完整的，所以通过电磁辐射监测不可检测绝缘故障，但通过内部电缆绝缘故障导致塑料材料绝缘的加热和炭化，从而使得一个或更多个泡泡生成，可以检测绝缘故障。
当船520到达位置530，例如使用安装在甲板500上的起重机将设备100举起放入水生环境10中。设备100在水生环境10内来回移动，同时通过收集一个或更多个向上移动的泡泡270的第一结构210来搜索一个或更多个泡泡270并且经由第二结构230将它们引导到颈部区240，从而引导至换能器装置250用于上文中所描述的检测。设备100例如以微型潜水艇或类似物的方式便利地实现为遥控潜水器(ROV)。设备100有利地可操作地经由来自船520的遥控器来操纵自己和/或通过设备100内实现的本地控制器来自动操纵自身，例如经由可操作地执行软件用于指导设备100系统地搜索水生环境10内的所限定的空间区域内的一个或更多个泡泡270的计算机装置。可选地，计算机装置可操作地指导设备100以第一操作模式来实现泡泡的总体搜索，并且在第一操作模式中检测到一个或更多个泡泡的情况下以第二操作模式来执行给定区域内的全面搜索。当搜索产生一个或更多个泡泡270的特征和/或结构时，设备100的运行的这样的方式潜在地使得海底40的大部分区域能够被标出。例如，在第一模式下，检测到泡泡270，而以第二模式执行包括所收集的泡泡270的化学分析的更详细的分析。
可选地，颈部区240具有小于由下部外围边缘220限定的泡泡收集区域的50％的水平截面区，更可选地小于由下部外围边缘220限定的泡泡收集区域的25％的水平截面区，以及最优选地小于由下部外围边缘220限定的泡泡收集区域的10％的水平截面区。可选地，如前面所提到的，第二结构230被实现为基本上截头圆锥向上锥形结构、大致向上锥形结构、不对称向上锥形结构、向上锥形结构，它们的空间扩展在操作中可以动态改变，或可以是这样的可选的实现的任何组合。
可选地，设备100包括用于在一个或更多个泡泡270已经通过颈部区240之后收集一个或更多个泡泡270的装置，该装置用于随后分析以确定它们的化学属性，例如沼气、来自过热的电塑料材料绝缘的分解气体产物、来自沉没损坏的潜水艇的气泡等。可选地，当设备100返回至其相应的船520和相关联的甲板500时，执行一个或更多个所收集的泡泡270的分析。可替代地，设备100包括空间上集成的一个或更多个气体分析器，该气体分析器用于例如实时分析来自检测区240的一个或更多个所收集的泡泡270的化学成分；这样的一个或更多个气体分析器有利地包括红外光学传感器、电化学传感器、燃烧传感器(例如Pellistor)、半导体气体传感器、声学气体传感器中的至少一个。
设备100有利地适用于测量水中存在的并且上升到颈部区240的油泡，例如，由来自水下石油管道的泄露产生或由泄露的水下油阀产生，例如与“圣诞树”水下井头相关联。这种油泡具有缺乏作为超声波辐射询问强度的函数的共振效应的高度粘性阻尼特性。然而，这样的油泡具有往往小于食盐水的密度，从而导致它们移动到颈部区240。换能器装置250有利地可选地设置有声发送换能器和相应的接收换能器，用于测量颈部区240的时间函数的声学阻抗。随着油泡在操作中进入和上升通过颈部区240，从发送换能器到接收换能器传输的声能的耦合效率被调制。例如，如果发送换能器使用恒定幅度和频率的信号来激励，则来自接收换能器的相应的输出信号随着油泡进入颈部区240而变化。通过例如在信号处理单元280中通过递归滤波、快速傅里叶变换(FFT)或类似测量来自接收换能器的输出信号中的时间变化，气泡和油泡的光谱特征易于被识别。可选地，阀300在闭合状态下用于收集其下方的气泡和油泡，然后再切换至打开状态以允许气泡首先上升，接着是油泡。发送换能器与接收换能器之间的声耦合的时间特性能够在第一气泡以及此后油泡在颈部区240中上升时提供关于泄漏和水下发生的其他过程的有价值的信息。另外，或可替代地，声学辐射的脉冲从发送换能器传播到接收换能器的飞行时间确定在颈部区240的密度。通过信号处理单元280来监视飞行时间中的时间变化以识别穿过颈部区240的泡泡(气体或油类)的性质。
在不超出由附带权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对前述中所描述的本发明的实施方式的修改。用于描述和要求保护本发明的表达如“包括(including)”、“包括(comprising)”、“合并(incorporating)”、“包括(consisting of)”、“具有(have)”、“是(is)”意在以非排他性的方式解释，即，允许未明确地描述的条目、部件或元件也可以存在。提及单数形式也被解释成涉及复数。附带权利要求中的括号内包括的附图标记意在辅助理解权利要求，而不应当以任何方式解释成限制由这些权利要求请求保护的主题。

Claims (26)

1.一种用于检测水生环境(10)内的一个或更多个泡泡(270)的存在的水下检测设备(100)，所述设备(100)包括：第一结构(210)，所述第一结构(210)包括用于限定区域的下部外围边缘(220)，所述设备(100)可操作地在所述区域上收集所述一个或更多个泡泡(270)；第二结构(230)，所述第二结构(230)用于将容纳在由所述下部外围边缘(220)限定的所述区域内的所述一个或更多个泡泡(270)空间上集中到检测区中；以及检测装置(240，250)，所述检测装置(240，250)用于检测在操作中通过泡泡集中结构所集中进入到所述检测区中的所述一个或更多个泡泡(270)，并且生成表示所述一个或更多个泡泡(270)穿过所述检测区的输出信号(S2)，其特征在于，所述检测装置(240，250)包括用于在操作中使用询问辐射来询问所述检测区的信号源，以及所述检测装置(240，250)包括信号处理单元(280)，用于测量所述询问辐射穿过所述检测区的飞行时间和/或所述检测区的声学阻抗，以确定所述检测区内存在上升的一个或更多个泡泡(270)，
其中，所述设备(100)还包括用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡(270)从所述泡泡集中结构到所述检测区的供给的装置，以使得所述设备(100)能够区分来自所述检测装置(240，250)的表示所述检测区存在泡泡(270)的信号与表示所述检测区不存在泡泡(270)的信号。
2.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述设备(100)适用于检测下列中的至少一个：一个或更多个气泡、一个或更多个油泡。
3.根据权利要求1或2所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述第二结构(230)被实现为用于空间上限定体积的基本上截头圆锥形结构，所述一个或更多个泡泡(270)在操作中集中在所述截头圆锥形结构中。
4.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测装置(240，250)包括一个或更多个传感器(260，300)，所述一个或更多个传感器(260，300)用于被动检测由在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡(270)生成的声音，以生成检测信号(S1)，所述信号处理单元(280)处理所述检测信号(S1)，以生成表示所述检测区内存在和/或不存在所述一个或更多个泡泡(270)的所述输出信号(S2)。
5.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测装置(240，250)包括用于通过所述询问辐射的发送部分和/或反射部分来检测所述检测区中存在的一个或更多个泡泡(270)的一个或更多个传感器。
6.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测装置(240，250)的所述信号源和所述一个或更多个传感器容纳在彼此公共的单元内。
7.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，用于生成所述询问辐射的所述信号源在频率和/或幅度方面是可调节的，以激励所述一个或更多个泡泡(270)中的非线性共振，并且表示所述检测区中存在所述一个或更多个泡泡(270)的所述输出信号(S2)由所述检测装置(240，250)根据由于激励所述一个或更多个泡泡(270)中的所述非线性共振而生成的谐波信号分量来生成。
8.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡(270)从所述第一结构(210)到所述检测区的所述供给的所述装置包括下列中的至少一个：
(i)在操作中空间上位于所述检测装置(240，250)下方的致动阀；以及
(ii)致动泡泡收集装置，所述致动泡泡收集装置可操作地将收集的一个或更多个泡泡(270)从所述致动泡泡收集装置周期性地释放到所述检测区中。
9.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测区还包括关于其的温度传感器和压力传感器，用于使所述信号处理单元(280)能够根据它们所测量的非线性共振频率来确定所述一个或更多个泡泡(270)的尺寸。
10.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述设备(100)适用于安装在遥控潜水艇(ROV)上来工作。
11.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测区设置有用于分析在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡(270)的组成的气体分析装置。
12.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述信号处理单元(280)被操作为以1kHz至10MHz的范围内的频率来激励所述检测装置(240，250)。
13.根据权利要求12所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述信号处理单元(280)被操作为以10kHz至5MHz的范围内的频率来激励所述检测装置(240，250)。
14.根据权利要求13所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述信号处理单元(280)被操作为以100kHz至1MHz的范围内的频率来激励所述检测装置(240，250)。
15.一种使用水下检测设备(100)来检测水生环境(10)内的一个或更多个泡泡(270)的存在的方法，其中所述方法包括：
(a)使用第一结构(210)收集所述一个或更多个泡泡(270)，所述第一结构(210)包括限定所述设备(100)的区域的下部外围边缘(220)；
(b)使用第二结构(230)将容纳在由所述下部外围边缘(220)限定的所述区域内的所述一个或更多个泡泡(270)空间上集中到检测区中；以及
(c)使用检测装置(240，250)检测在操作中通过所述第二结构(230)集中到所述检测区中的所述一个或更多个泡泡(270)并且生成表示所述一个或更多个泡泡(270)穿过所述检测区的输出信号(S2)，
其特征在于，所述方法还包括如下的步骤：
(d)使用所述检测装置(240，250)的信号源在操作中使用相应的询问辐射来询问所述检测区，以及
(e)使用所述检测装置(240，250)中的信号处理单元(280)来测量所述询问辐射穿过所述检测区的飞行时间和/或所述检测区的声学阻抗，以确定所述检测区内存在上升的一个或更多个泡泡(270)，
其中，所述方法还包括使用装置在操作中周期性地中断所收集的泡泡(270)从泡泡集中结构到所述检测区的供给，以使得设备(100)能够区分来自所述检测装置(240，250)的表示所述检测区存在泡泡(270)的信号与表示所述检测区不存在泡泡(270)的信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用信号处理单元(280)检测下列中的至少一个：一个或更多个气泡、一个或更多个油泡。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述方法包括将所述第二结构(230)实现为用于空间限定体积的基本上截头圆锥形结构，所述一个或更多个泡泡(270)在操作中集中在所述截头圆锥形结构中。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用所述检测装置(240，250)中的一个或更多个传感器(300)来被动检测由在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡(270)生成的声音，以生成检测信号(S1)，并且使用信号处理单元(280)处理所述检测信号(S1)，以生成表示所述检测区内存在和/或不存在所述一个或更多个泡泡(270)的所述输出信号(S2)。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用一个或更多个传感器通过所述询问辐射的发送部分和/或反射部分来检测所述检测区中存在的一个或更多个泡泡(270)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包括在频率和/或幅度方面调节用于生成所述询问辐射的所述信号源，以激励所述一个或更多个泡泡(270)中的非线性共振，并且根据表示所述检测区中存在所述一个或更多个泡泡(270)的信号(S1)来确定由于激励所述一个或更多个泡泡(270)中的所述非线性共振而生成的谐波信号分量，用于生成所述输出信号(S2)以提供所述输出信号(S2)。
21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括关于所述检测区利用温度传感器和压力传感器使得所述信号处理单元(280)能够根据它们所测量的非线性共振频率来确定所述一个或更多个泡泡(270)的尺寸。
22.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括将所述设备(100)实现为安装在遥控潜水艇(ROV)上来工作。
23.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括向所述检测区设置用于分析在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡(270)的组成的气体分析装置。
24.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括操作所述信号处理单元(280)，以便以1kHz至10MHz的范围内的频率来激励所述检测装置(240，250)。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括操作所述信号处理单元(280)，以便以10kHz至5MHz的范围内的频率来激励所述检测装置(240，250)。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法包括操作所述信号处理单元(280)，以便以100kHz至1MHz的范围内的频率来激励所述检测装置(240，250)。
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